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摘 要： 为建设虚拟网络实验室，针对常用网络模拟软件存在不能加载真正的IOS、不能与真实网络进行通信的缺点，利用思科网络仿真软件GNS3和虚拟机软件VMware的优点，搭建虚实结合的网络综合实训平台，完成数据、语音、视频三种业务在IP网络中的部署，建设成本低，效果好。在实验室网络设备有限的情况下，通过此实训平台，可激发学生学习网络技术的兴趣，提高学生在网络规划与设计方面的实践创新能力。
关键词： 三网合一； 仿真模拟； 虚拟机； IP网络
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2013）11-18-03
0 引言
地方院校由于实验室建设资金匮乏、硬件设备不足等因素，给网络类专业课程的教学带来了许多困难，教学中往往是许多学生共用一套网络设备，导致学生无法独立完成网络综合实验。尽管企事业单位对网络管理员和网络工程师的需求量大，学生普遍对网络技术本身有较浓厚的兴趣，但由于传统的网络类专业课程教学相当抽象和枯燥乏味，很难吸引学生，学校很难培养出高水平的网络技术人员。
要解决这个问题，通过耗费巨资建设“网络工程”实验室固然是好的解决方案，但耗费巨资是大部分地方院校难以承受的，而且网络工程实验室的复杂管理工作以及随着网络技术的发展面临的更新换代压力也是令人十分头痛的问题。因此，基于现实我们认为在现有的实验环境下，采用网络仿真模拟技术，以较低的成本来实现较优的网络类专业课程教学环境是一项值得研究的教学课题。
1 网络仿真模拟技术
目前，地方院校常采用网络仿真模拟技术来辅助网络类专业课程的教学，即通过软件的方式实现对网络设备的安装、调试、管理及操作。常见的网络设备模拟软件有： Packet Tracer、BOSON NetSim等，但这些网络模拟软件都是为思科认证考试服务，支持的路由交换命令较少，在进行相关实验时，常常发现这些模拟器不支持某些命令或参数。在GNS3中，所运行的是实际的IOS，能够使用IOS所支持的所有命令和参数[1]。
1.1 GNS3模拟软件
GNS3是一款优秀的、具有图形化界面，允许运行在Windows、Linux平台的Cisco网络设备模拟器，它整合了Dynamips、Pemu、Winpcap等软件，支持NM-16ESW模块的交换机命令、Cisco路由器（1700/2600/3600/3700/7200）、防火墙（PIX/ASA）、入侵检测系统/入侵保护系统（IDS/IPS）等。GNS3模拟器的出现为设计和配置网络拓扑提供了平台和技术支持，可以根据订制的需求，模拟不同的模块搭建网络拓扑和环境、GNS3的虚拟网络设备接口和VMware虚拟机的虚拟网卡桥接，实现GNS3和VMWare的互通，为创建虚实结合的网络综合实训平台创造了条件[2-3]。
1.2 VMware虚拟机介绍
为了模拟整个网络系统中的终端和服务器，需要一款虚拟机软件，目前比较流行的虚拟机软件有Virtual PC，VMware和Virtual Box等[4]，本案例使用VMware Workstation 6.0。VMware是一款优秀的虚拟机软件，允许操作系统和应用程序在一台虚拟机内部运行，它除了为访问网卡、CD-ROM、硬盘、USB设备提供桥梁外，还能模拟硬件[5]。它能够在一台物理PC机上虚拟多台独立的系统，为实施网络类课程的综合实验提供了条件，且操作界面简单，功能强大。
1.3 采用GNS3+VMware虚拟网络实验室的优点
⑴ 构建虚拟网络实验室投资成本几乎为零，在经费不充足的情况下，采用这一方案很有意义。计算机系拥有网络工程实验室，多媒体实验室、软件综合实验室。其中多媒体实验室、软件综合实验室为近两年建设完成，设备较新，利用这些机房中的计算机，一台主机即可建设成一个中小型企业网络规划的模型，包含多个不同型号的路由器设备、交换机设备、防火墙设备、服务器、DZM区、多种宽带接入方式等。
⑵ 虚拟网络实验室平台不易造成设备损坏，在实验过程中，安装在计算机中的虚拟环境、虚拟网络设备等软件能够经受大量学生反复使用，虚拟环境、虚拟网络设备等软件被破坏了可以随时恢复或者重新安装，不需额外成本，学生可以放开身手去做实验，解决了真实环境中由于学生操作网络设备不规范，导致网络设备损坏的问题。
2 基于GNS3+VMware的三网合一案例设计
2.1 网络拓扑结构设计
采用GNS3可以模拟整个网络路由交换体系，利用VMware虚拟机软件和本地主机可以模拟所有的网络终端和服务器。基于GNS3+VMware的三网合一案例的拓扑图如图1所示。本案例中，使用一台路由器作为ISP广域网测试，两台路由器作为网络的出口路由器，两台核心层交换机、两台汇聚层交换机和四台接入层交换机，以及四台模拟PC来完成整个网络的连接。所有设备都使用c3640的IOS，路由器ISP、R1和R2的插槽0和插槽1都使用NM-1FM-TX，核心交换机C.SW1、C.SW2，汇聚层交换机D.SW1、D.SW2的插槽0和插槽1都使用NM-16ESM，接入层交换机直接使用二层交换机；PC机C1和C4的节点配置用VPCS来模拟，各自添加本地端口分别为30000和30003，来测试PC和网络间的连通性，PC2和PC3的节点配置使用以太网NIO，分别添加本地主机的本地连接和虚拟机网卡VMnet8的网卡，如图2所示。
2.2 网络与IP地址规划
在本案例中，整个网络拓扑中网络及IP地址规划方案如表1所示。
3 实训平台测试
基于GNS3+VMware的三网合一实训案例，理论上要求要有数据、语音和视频三种流量的融合，但为了最大程度地减少对计算机系统内存和CPU资源的高要求，我们将数据流量用VPCS的连通性来验证，而语音和视频将统一融合到语音及其视频流量中。由于本地主机和虚拟机共用同一套音响和视频外接设备，在同一时刻无共用到资源，所以演示为单向测试，即本地主机有正常的音频和视频输出，但虚拟机无法获得音频和视频输出。 3.1 数据业务测试
可在Web服务器上安装IIS组件，部署一个Web网站，在网络终端打开浏览器并输入Web服务器的IP地址即可以访问。为节省计算机资源，以VPCS模拟计算机，利用ping和tracer等常用网络命令来验证数据业务的连通部署。
3.2 语音业务测试
以SIP协议为例部署语音软交换业务。在服务器端，安装miniSipServer软件模拟真实的软交换服务器；在客户端，安装SIP电话终端软件的PC机来模拟软交换的语音终端。语音业务在本地主机的语音客户端X-Lite菜单栏点击键盘键，在弹出的键盘上拨打“101”，即是拨到虚拟机的语音客户端，拨通之后，能听到语音电话的呼叫声，同时被呼叫的语音电话有来电显示，用户可以选择接听（Answer）或者挂断（Decline）。
判定本地主机与虚拟机之间是否有语音交换，注意到右上角的语音标志旁边的小圆点，当两边进行语音通讯时，小圆点会闪烁。由此可判定两边的语音客户端确实有语音交流。
3.3 视频业务测试
本地主机与虚拟机之间的视频业务采用IP组播方式。服务器安装了VLC播放器并播放视频，并选择串流到一个设定的组播地址（假定为224.1.1.1），模拟一个频道的节目播出，在路由器和汇聚层上部署允许该组播地址对应的串流通过。在终端以一台安装了VLC多媒体播放器的PC机模拟IPTV机顶盒。测试视频业务与语音业务相似，只是在两边成功连接之后，点击语音客户端拨打界面的“Start sending your vedio”按钮，即可进行视频聊天，点击“Invite to Conference call”还可加入多人会议聊天。由图4所示可以确定两边客户端能成功地建立视频聊天连接业务。
4 结束语
利用虚拟网络实验室不仅节省了实验室的资金投入，减少了实验室管理成本，而且使网络实验不受时间与空间限制。通过对GNS3+VMware的三网合一案例的研究与实现，可为教师进行网络类专业课程教学及学生进行综合实验提供良好的参考依据，值得在各类学校的网络技术实验课程教学中推广使用。
参考文献：
[1] 龙艳军，欧阳建权，俞佳曦.基于GNS3和VMware的虚拟网络系统集成实验室研究[J].实验技术与管理，2013.30（2）：90-93
[2] 唐灯平.整合GNS3和VMware搭建虚实结合的网络技术综合实训平台[J].浙江交通职业技术学院学报，2012.13（2）：41-44
[3] 彭春燕，刘兵.GNS3在计算机网络课程教学中的应用[J].学理论，2010.20：292-293
[4] 李元元.基于GNS3软件构建三网融合仿真实训平台[J].中国现代教育装备，2012.1：13-15
[5] 包敬海，周小珠，樊东红.基于VMWare构建虚拟网络实验室的研究[J].计算机技术与发展，2010.20（6）：242-245
关键词： 三网合一； 仿真模拟； 虚拟机； IP网络
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2013）11-18-03
0 引言
地方院校由于实验室建设资金匮乏、硬件设备不足等因素，给网络类专业课程的教学带来了许多困难，教学中往往是许多学生共用一套网络设备，导致学生无法独立完成网络综合实验。尽管企事业单位对网络管理员和网络工程师的需求量大，学生普遍对网络技术本身有较浓厚的兴趣，但由于传统的网络类专业课程教学相当抽象和枯燥乏味，很难吸引学生，学校很难培养出高水平的网络技术人员。
要解决这个问题，通过耗费巨资建设“网络工程”实验室固然是好的解决方案，但耗费巨资是大部分地方院校难以承受的，而且网络工程实验室的复杂管理工作以及随着网络技术的发展面临的更新换代压力也是令人十分头痛的问题。因此，基于现实我们认为在现有的实验环境下，采用网络仿真模拟技术，以较低的成本来实现较优的网络类专业课程教学环境是一项值得研究的教学课题。
1 网络仿真模拟技术
目前，地方院校常采用网络仿真模拟技术来辅助网络类专业课程的教学，即通过软件的方式实现对网络设备的安装、调试、管理及操作。常见的网络设备模拟软件有： Packet Tracer、BOSON NetSim等，但这些网络模拟软件都是为思科认证考试服务，支持的路由交换命令较少，在进行相关实验时，常常发现这些模拟器不支持某些命令或参数。在GNS3中，所运行的是实际的IOS，能够使用IOS所支持的所有命令和参数[1]。
1.1 GNS3模拟软件
GNS3是一款优秀的、具有图形化界面，允许运行在Windows、Linux平台的Cisco网络设备模拟器，它整合了Dynamips、Pemu、Winpcap等软件，支持NM-16ESW模块的交换机命令、Cisco路由器（1700/2600/3600/3700/7200）、防火墙（PIX/ASA）、入侵检测系统/入侵保护系统（IDS/IPS）等。GNS3模拟器的出现为设计和配置网络拓扑提供了平台和技术支持，可以根据订制的需求，模拟不同的模块搭建网络拓扑和环境、GNS3的虚拟网络设备接口和VMware虚拟机的虚拟网卡桥接，实现GNS3和VMWare的互通，为创建虚实结合的网络综合实训平台创造了条件[2-3]。
1.2 VMware虚拟机介绍
为了模拟整个网络系统中的终端和服务器，需要一款虚拟机软件，目前比较流行的虚拟机软件有Virtual PC，VMware和Virtual Box等[4]，本案例使用VMware Workstation 6.0。VMware是一款优秀的虚拟机软件，允许操作系统和应用程序在一台虚拟机内部运行，它除了为访问网卡、CD-ROM、硬盘、USB设备提供桥梁外，还能模拟硬件[5]。它能够在一台物理PC机上虚拟多台独立的系统，为实施网络类课程的综合实验提供了条件，且操作界面简单，功能强大。
1.3 采用GNS3+VMware虚拟网络实验室的优点
⑴ 构建虚拟网络实验室投资成本几乎为零，在经费不充足的情况下，采用这一方案很有意义。计算机系拥有网络工程实验室，多媒体实验室、软件综合实验室。其中多媒体实验室、软件综合实验室为近两年建设完成，设备较新，利用这些机房中的计算机，一台主机即可建设成一个中小型企业网络规划的模型，包含多个不同型号的路由器设备、交换机设备、防火墙设备、服务器、DZM区、多种宽带接入方式等。
⑵ 虚拟网络实验室平台不易造成设备损坏，在实验过程中，安装在计算机中的虚拟环境、虚拟网络设备等软件能够经受大量学生反复使用，虚拟环境、虚拟网络设备等软件被破坏了可以随时恢复或者重新安装，不需额外成本，学生可以放开身手去做实验，解决了真实环境中由于学生操作网络设备不规范，导致网络设备损坏的问题。
2 基于GNS3+VMware的三网合一案例设计
2.1 网络拓扑结构设计
采用GNS3可以模拟整个网络路由交换体系，利用VMware虚拟机软件和本地主机可以模拟所有的网络终端和服务器。基于GNS3+VMware的三网合一案例的拓扑图如图1所示。本案例中，使用一台路由器作为ISP广域网测试，两台路由器作为网络的出口路由器，两台核心层交换机、两台汇聚层交换机和四台接入层交换机，以及四台模拟PC来完成整个网络的连接。所有设备都使用c3640的IOS，路由器ISP、R1和R2的插槽0和插槽1都使用NM-1FM-TX，核心交换机C.SW1、C.SW2，汇聚层交换机D.SW1、D.SW2的插槽0和插槽1都使用NM-16ESM，接入层交换机直接使用二层交换机；PC机C1和C4的节点配置用VPCS来模拟，各自添加本地端口分别为30000和30003，来测试PC和网络间的连通性，PC2和PC3的节点配置使用以太网NIO，分别添加本地主机的本地连接和虚拟机网卡VMnet8的网卡，如图2所示。
2.2 网络与IP地址规划
在本案例中，整个网络拓扑中网络及IP地址规划方案如表1所示。
3 实训平台测试
基于GNS3+VMware的三网合一实训案例，理论上要求要有数据、语音和视频三种流量的融合，但为了最大程度地减少对计算机系统内存和CPU资源的高要求，我们将数据流量用VPCS的连通性来验证，而语音和视频将统一融合到语音及其视频流量中。由于本地主机和虚拟机共用同一套音响和视频外接设备，在同一时刻无共用到资源，所以演示为单向测试，即本地主机有正常的音频和视频输出，但虚拟机无法获得音频和视频输出。 3.1 数据业务测试
可在Web服务器上安装IIS组件，部署一个Web网站，在网络终端打开浏览器并输入Web服务器的IP地址即可以访问。为节省计算机资源，以VPCS模拟计算机，利用ping和tracer等常用网络命令来验证数据业务的连通部署。
3.2 语音业务测试
以SIP协议为例部署语音软交换业务。在服务器端，安装miniSipServer软件模拟真实的软交换服务器；在客户端，安装SIP电话终端软件的PC机来模拟软交换的语音终端。语音业务在本地主机的语音客户端X-Lite菜单栏点击键盘键，在弹出的键盘上拨打“101”，即是拨到虚拟机的语音客户端，拨通之后，能听到语音电话的呼叫声，同时被呼叫的语音电话有来电显示，用户可以选择接听（Answer）或者挂断（Decline）。
判定本地主机与虚拟机之间是否有语音交换，注意到右上角的语音标志旁边的小圆点，当两边进行语音通讯时，小圆点会闪烁。由此可判定两边的语音客户端确实有语音交流。
3.3 视频业务测试
本地主机与虚拟机之间的视频业务采用IP组播方式。服务器安装了VLC播放器并播放视频，并选择串流到一个设定的组播地址（假定为224.1.1.1），模拟一个频道的节目播出，在路由器和汇聚层上部署允许该组播地址对应的串流通过。在终端以一台安装了VLC多媒体播放器的PC机模拟IPTV机顶盒。测试视频业务与语音业务相似，只是在两边成功连接之后，点击语音客户端拨打界面的“Start sending your vedio”按钮，即可进行视频聊天，点击“Invite to Conference call”还可加入多人会议聊天。由图4所示可以确定两边客户端能成功地建立视频聊天连接业务。
4 结束语
利用虚拟网络实验室不仅节省了实验室的资金投入，减少了实验室管理成本，而且使网络实验不受时间与空间限制。通过对GNS3+VMware的三网合一案例的研究与实现，可为教师进行网络类专业课程教学及学生进行综合实验提供良好的参考依据，值得在各类学校的网络技术实验课程教学中推广使用。
参考文献：
[1] 龙艳军，欧阳建权，俞佳曦.基于GNS3和VMware的虚拟网络系统集成实验室研究[J].实验技术与管理，2013.30（2）：90-93
[2] 唐灯平.整合GNS3和VMware搭建虚实结合的网络技术综合实训平台[J].浙江交通职业技术学院学报，2012.13（2）：41-44
[3] 彭春燕，刘兵.GNS3在计算机网络课程教学中的应用[J].学理论，2010.20：292-293
[4] 李元元.基于GNS3软件构建三网融合仿真实训平台[J].中国现代教育装备，2012.1：13-15
[5] 包敬海，周小珠，樊东红.基于VMWare构建虚拟网络实验室的研究[J].计算机技术与发展，2010.20（6）：242-245